Солнечные батареи для дома

Устройство и принцип действия солнечной батареи

Когда-то пытливые умы открыли для нас природные вещества, вырабатывающие под воздействием частиц света солнца, фотонов, электрическую энергию. Процесс назвали фотоэлектрическим эффектом. Ученые научились управлять микрофизическим явлением.

На основе полупроводниковых материалов они создали компактные электронные приборы – фотоэлементы.

Производители освоили технологию объединения миниатюрных преобразователей в эффективные гелиопанели. КПД панельных солнечных модулей из кремния широко производимых промышленностью 18-22%.

Из описания схемы наглядно видно: все комплектующие элементы электростанции одинаково важны – от их грамотного подбора зависит согласованная работа системы

Из модулей собирается солнечная батарея. Она является конечным пунктом путешествия фотонов от Солнца до Земли. Отсюда эти составляющие светового излучения продолжают свой путь уже внутри электрической цепи как частицы постоянного тока.

Они распределяются по аккумуляторам, либо подвергаются трансформации в заряды переменного электротока напряжением 220 вольт, питающего всевозможные домашние технические устройства.

Солнечная батарея представляет собой комплекс последовательно соединенных полупроводниковых устройств – фотоэлементов, преобразующих солнечную энергию в электрическую

Сколько нужно солнечных батарей для отопления дома

Казалось бы, все просто. На обогрев небольшого загородного коттеджа площадью 100 м² пойдет приблизительно 10 кВт = 10 000 Вт тепловой энергии. Это 100 панелей по 0.1 кВт или 34 больших модуля по 300 Вт. Столько батарей на крышу дома не поставишь, а о квартире и речи нет.

Сразу оговоримся, полученный результат – неправильный, поскольку не учитывает особенности эксплуатации солнечных энергетических систем:

1. Фотоэлектрический модуль выдает максимальную мощность, когда лучи падают под углом 90° к плоскости батареи. Если не сделать трекер – следящий механизм, поворачивающий панель вслед за движением солнца, потеряем около 40% энергии. С другой стороны, подобное устройство тоже расходует электричество.

   Трекер поворачивает модули вслед за светилом, обеспечивая угол падения лучей 90°

2. Величина солнечного излучения на 1 м² – инсоляция – зависит от региона проживания, высоты над уровнем моря, затененности участка. Перечисленные факторы напрямую влияют на производительность батарей.
3. С течением времени полупроводниковое покрытие модулей деградирует, в результате теряется примерно 1% электрической мощности ежегодно.
4. Если фотоэлектрический слой перегревается солнцем, производительность панели тоже уменьшается.
5. Малая толика энергии теряется в сопутствующем оборудовании – инверторах, контроллерах, АКБ. Это банальный нагрев деталей – трансформаторов, микросхем и прочих элементов.
6. Когда рабочая поверхность загрязняется пылью либо засыпается снегом, возникают дополнительные потери.
7. Заметьте, для отопления солнцем зимой вырабатываемого электричества должно хватать на обогрев дома и зарядку аккумуляторов на ночь.

Вывод. Универсального расчета электрической мощности батарей, подходящего ко всем странам и регионам, не существует. Но озвученную выше цифру 10 кВт нужно удвоить (как минимум), чтобы получить пристойный результат на практике. Понадобится от 200 стоваттных панелей, занимающих площадь свыше 140 м².

Есть надежный способ получить точные данные по инсоляции и рассчитать производительность солнечных батарей – обратиться в местную организацию, занимающуюся их монтажом. Либо самому изучать карту инсоляции района.

На карте видно, что центральные регионы РФ получают довольно мало радиации солнца – в среднем 3–3.5 кВт на метр квадратный за день

Предлагаем пойти другим путем – использовать опыт владельцев солнечных автономных электростанций, почитать их отзывы на тематических форумах. Отыщите там пользователей, проживающих в вашей местности, если хотите получить реальные цифры бесплатно. Приведем примеры:

1. Автономная система солнечного электроснабжения, расположенная в Ленинградской области, РФ. Установлено 6 панелей по 0.22 кВт (всего 1.32 кВт), пиковая мощность в зимний безоблачный день – 1157 Вт. Тема обсуждается на известном русскоязычном форуме.
2. г. Анапа, производительность батарей – 2.2 кВт, количество не указывается. За световой день электростанция генерирует порядка 9 кВт.
3. г. Москва, мощность СЭС 2.64 кВт. За весь июнь установка выработала 304 кВт энергии.

Обратите внимание: нами учитывалась только солнечная энергия для отопления, подогрев воды и прочие хозяйственные нужды в расчет не принимались. Как рассчитать число батарей на практике, смотрите в видеосюжете:

Часто задаваемые вопросы о портативных солнечных панелях

Как быстро будет заряжаться устройство от солнечной панели?

Это зависит главным образом от эффективности ячеек и количества солнечного света, который вы получаете. В наши дни солнечные панели становятся все более и более эффективными, а это означает, что они способны генерировать много энергии. В яркий солнечный день вполне разумно думать, что вы можете генерировать достаточно энергии для телефона и планшета или даже более крупных устройств.

Портативная солнечная панель действительно может заводить машину?

Если она достаточно большая, солнечная панель может заряжать аккумулятор вашего автомобиля, чтобы он мог завестись. Технически «запуск от прикуривателя» означает, что вы берете питание от источника питания, чтобы сразу же завести машину. Солнечный вариант больше похож на зарядное устройство для автомобильного аккумулятора, а это означает, что вам нужно будет подождать некоторое время, пока аккумулятор вашего автомобиля зарядится, прежде чем вы сможете повернуть ключ. Но да, это возможно.

Можно получить больше солнечной энергии, если оставить солнечную панель на окне?

Солнечные панели никогда не следует оставлять в окне или в машине для зарядки. Оконные стекла могут фокусировать свет на панелях и вызывать их перегрев. Солнечные панели должны быть снаружи и под солнцем или убраны.

Выбор

Выбирая солнечные генераторы, следует принять во внимание несколько моментов. Прежде всего, необходимо рассчитать среднесуточное потребление электрической энергии в доме

Исходя из полученных данных, можно осуществлять выбор по таким параметрам:

1. Мощность. Как правило, производители указывают показатели, характерные для наилучших условий. Рассчитывая данное значение, рекомендовано опираться на наихудшие условия, чтобы мощности панелей было достаточно для всех потребителей. Следует заметить, чем выше данный показатель, тем выше стоимость генератора.

2. Габариты. Данный параметр непосредственно влияет на мощность (чем она выше, тем больше размеры панели). Основное условие данного значения – соответствие месту монтажа.
3. Тип. Каждый вид имеет уровень КПД и мощность на 1м2. Следовательно, тип влияет на необходимый размер панели и возможность наращивания мощности.
4. Напряжение. Данный показатель зависит от целей приобретения генератора. Для зарядки мелких приборов подойдут панели с небольшим выходным напряжением (до 9В). Для компьютерной техники отличным вариантом будут модели в 12-19 В. Для домашней системы энергообеспечения, потребуются панели с выходным напряжением более 24 В.
5. Место монтажа. Если место установки ограничено, желательно выбрать модели монокристаллического типа. Если планируется устанавливать панели на опорах, целесообразно остановить свой выбор на поликристаллических панелях.
6. Надежность и срок эксплуатации. Панели должны обладать определенной прочностью, чтобы выдерживать ветровые, снеговые и ударные нагрузки.
7. Производитель. Предпочтение лучше отдавать популярным торговым маркам, которые предоставляют гарантийное обслуживание и замены.

Правильно выбрать систему солнечных генераторов, которая подходит для дома не составляет особого труда

Для этого достаточно принять во внимание климатические параметры места проживания, конфигурацию дома и необходимое количество энергии.. Наиболее выгодным вариантом считается тот, который позволяет покрыть 50-80% потребности энергообеспечения

Системы с меньшей продуктивностью будут окупаться десятки лет

Наиболее выгодным вариантом считается тот, который позволяет покрыть 50-80% потребности энергообеспечения. Системы с меньшей продуктивностью будут окупаться десятки лет.

Схема отопления при помощи гелиосистемы

Типы фотоэлектрических преобразователей

В промышленности существует классификация солнечных батарей по типу устройства и применяемого фотоэлектрического слоя.

По устройству делятся на:

• панели из гибких элементов, они же гибкие;
• панели из жестких элементов.

При развертывании панелей чаще всего используются гибкие тонкоплёночные. Они укладываются на поверхность, игнорируя некоторые неровные элементы, что делает данный тип устройства — более универсальным.

По типу фотоэлектрического слоя для последующего преобразования энергии панели делятся на:

1. Кремниевые (монокристалл, поликристалл, аморфные).
2. Теллурий–кадмиевые.
3. Полимерные.
4. Органические.
5. Арсенида–галлиевые.
6. Селенид индия– меди– галлиевые.

Хотя разновидностей множество, львиную долю в потребительском обороте имеют кремниевые и теллурий–кадмиевые солнечные панели. Эти два типа выбирают из–за соотношения кпд/цена.

Принцип работы солнечной батареи

В результате перетечки зарядов на границе p- и n- слоев, в n-слое образуется зона нескомпенсированного положительного заряда, а в p-слое – отрицательного заряда, т.е. известный всем из школьного курса физики p-n-переход. Разность потенциалов, возникающая на переходе контактная разность потенциалов (потенциальный барьер) препятствует прохождению электронов с p-слоя, но беспрепятственно пропускает неосновные носители в направлении противоположном, что позволяет получить фото-ЭДС при попадании на ФЭП солнечного света.

При облучении солнечным светом, поглощенные фотоны начинают генерировать неравновесные электронно-дырочные пары. Генерируемые же вблизи перехода электроны, из p-слоя переходят в n-область.

Аналогичным образом попадают в p-слой избыточные дырки и слоя n (рисунок а). Получается, что в p-слое накапливается положительный заряд, а в n- слое – отрицательный, вызывая напряжение во внешней цепи (рисунок б). У источника тока есть два полюса: положительный — p-слой и отрицательный — n-слой.

Это основной принцип работы солнечный элементов. Электроны, таким образом, будто бегают по кругу, т.е. выходят из p-слоя и возвращаются в n-слой, проходя нагрузку (аккумулятор).

Фотоэлектрический отток в однопереходном элементе обеспечивают лишь те электроны, которые обладают энергией выше, чем ширина некой запрещенной зоны. Те же, которые обладают меньшей энергией, в этом процессе не участвуют. Это ограничение снять позволяют структуры многослойные, состоящие из более чем один СЭ, у которых ширина запрещенной зоны различная. Их называют каскадными, многопереходными или тандемными. Фотоэлектрическое преобразование у них выше за счет того, что работают такие СЭ с более широким солнечным спектром. В них фотоэлементы располагаются по мере уменьшения ширины запрещенной зоны. Солнечные лучи вначале попадают на фотоэлемент с самой широкой зоной, при этом происходит поглощение фотонов с наибольшей энергией.

Затем, фотоны, пропущенные верхним слоем, попадают на следующий элемент и т.д. В области каскадных элементов основным направлением исследования является использование в качестве одного компонента или нескольких арсенида галлия. У таких элементов эффективность преобразования составляет 35%. Элементы соединяют в батарею, поскольку изготовить отдельный элемент большого размера (следовательно, и мощности) не позволяют технические возможности.

Солнечные элементы способны работать длительное время. Они себя зарекомендовали как стабильный и надежный источник энергии, пройдя испытания в космосе, где главной опасностью для них является метеорная пыль и радиация, которые приводят к эрозии кремниевых элементов. Но, поскольку, на Земле эти факторы не оказывают на них столь негативного действия, можно предположить, что срок службы элементов будет еще более продолжительным.

Солнечные батареи уже находятся на службе человека, являясь источником питания для различных устройств, начиная от мобильных телефонов и заканчивая электромобилями.

И это уже вторая попытка человека обуздать безграничную солнечную энергию, заставив работать ее себе во благо. Первой попыткой было создание солнечных коллекторов, электричество в которых вырабатывалось за счет нагрева сконцентрированными лучами солнца воды до температуры кипения.

Термальная солнечная электростанция в Испании (город Севилья)

Преимущество солнечных батарей в том, что они непосредственно производят электричество, теряя энергии намного меньше, чем солнечные многоступенчатые коллекторы, в которых процесс ее получения связан с концентраций лучей Солнца, нагревом воды, выделением пара, вращающего паровую турбину и только после этого выработке генератором электричества. Основные параметры солнечных батарей – в первую очередь, мощность

Затем важно, каким запасом энергии они обладают

Зависит этот параметр от емкости аккумуляторов и их числа. Третьим параметром является пиковая мощность потребления, означающая количество одновременно возможных подключений приборов. Еще одним важным параметров является номинальное напряжение, от которого зависит выбор дополнительного оборудования: инвертора, солнечной панели, контроллера, аккумулятора.

Выбираем компоненты для солнечной электростанции

Для того чтобы наглядно проиллюстрировать расчет, сколько нужно солнечных батарей для использования их в качестве основного источника энергии, рассмотрим условный загородный дом в Рязанской области, в котором жильцы находятся с марта по сентябрь включительно.

Для расчета мы возьмем следующие показатели почасового потребления:

• суммарное потребление энергии в сутки – 12 кВт/ч;
• средний уровень нагрузки всех потребителей – 500 Вт;
• максимальное значение нагрузки – 1200 Вт;
• пиковый уровень нагрузки (+25 %) – 1200×1,25 = 1500 Вт.

Полученные данные будут использованы для определения необходимой емкости аккумуляторов гелиоэлектростанции.

Как отапливаются дома за счет солнечной энергии?

К решению об установке в своем доме системы отопления с помощью солнечных батарей следует подходить взвешенно, оценив все «за» и «против», поскольку приобретение самых батарей, дополнительного оборудования и непосредственно сам монтаж потребует значительных расходов. Мы поговорим об этом предметно в конце статьи, а пока рассмотрим из чего состоит оборудование для отопления дома солнечной энергией.

Работает данная система за счет установке на крыше дома устройств прямого преобразования солнечной энергии в электрическую, эти устройства еще называют солнечными панелями или фотоэлементами. Встроенные в них фотоэлектрические системы, вырабатывающие ток под воздействием солнечного света, изготавливают из полупроводниковых материалов. Соединение фотоэлементов в модули, а тех в свою очередь друг с другом, позволяет создавать фотоэлектрические станции практически любого размера и мощности.

Фотоэлементы работают на основе физического принципа, при котором ток образуется благодаря воздействию света между двумя полупроводниковыми элементами с разными электрическими характеристиками и находящимися в контакте друг с другом. Из множества таких элементов и создаются солнечные панели или модули.

Фотоэлектрические модули вырабатывают постоянный ток, используемый в большинстве устройств, работающих от аккумуляторных батарей. Если же необходим постоянный ток, то к системе добавляют инвертор.

Оборудование для обеспечения загородного дома, дачи или коттеджа солнечной энергией состоит из следующих компонентов:

• Фотоэлектрическая панель;
• Концентратор;
• Следящая система;
• Поворотный механизм;
• Теплообменник;
• Блок управления;
• Насос;
• Аккумуляторы;
• Инвертор.

Установка такой системы несложна, ее можно выполнить своими силами за несколько часов, если следовать инструкции. Хотя, учитывая опасность работ, связанную с риском поражения током или падения с крыши, мы настоятельно рекомендуем поручить это дело профессионалам.

Поликристаллические

Описание

Все кремниевые устройства слишком реагируют на перегрев. Температура, рекомендуемая для измерения электрогенерации, составляет 25 градусов. Даже при ее увеличении всего на градус производительность уменьшается на 0,5%.

Чистота кремния намного ниже, чем у рассмотренных выше, также допускается присутствие примесей и инородных включений. Это снижает себестоимость. Для этого вида панелей металл просто разливается в формы. Затем, используя специальные приемы, формируют кристаллы, направленность которых контролировать не нужно.

Остывший кремний режут на слои, обрабатывая их по специальному алгоритму.

Достоинства аморфного кремния в полной мере раскрываются в тени и с наступлением облачных дней и практически незаметны в солнечную погоду.

Не нужны им и поворотные механизмы, поскольку крепятся они стационарно.

Стоит такая разновидность панелей меньше, чем ориентированные. Эффективность их падает на 20% после 20-летнего использования.

Недостатки

Они, понятно, есть:

• Более низкий КПД;
• Необходимо большая площадь для монтажа.

В последние годы, благодаря новым исследованиям и появляющимся технологиям, КПД неуклонно растет и у некоторых панелей достигает 20%.

Полный комплект солнечных батарей для дачи

Многие производители солнечных батарей продают их в комплекте с остальными необходимыми устройствами, представляя их как готовую солнечную электростанцию. Хотя такой подход может обойтись в целом немного дороже самостоятельного подбора комплектующих, пользователь получает гарантию производителя на совместимость комплектующих, необходимую систему разъемов и креплений, и подробную инструкции по установке, эксплуатации и обслуживанию.

Какой комплект выбрать?

Выбор готового комплекта производится исходя из бюджета и планируемых для него задач:

• Эконом вариант. Для жизни на даче в теплую половину года, используя электричество для зарядки аккумуляторов электроинструментов, ноутбука, телефона, вечернего освещения комнаты светодиодными лампами, подойдет комплект мощностью 100-200 Вт, оснащенный одним 12-ти вольтовым аккумулятором около 100 А*ч, PWM контроллером и 300-600 ваттным инвертором.
• Стандартный вариант. Призван полностью обеспечивать базовые потребности жилища с марта по октябрь — светодиодное освещение, зарядка устройств, работа холодильника, телевизора, небольшого насоса; в зимнее время превращается в эконом вариант. Для таких целей подойдет комплект мощностью 300-600 Вт, оснащенный MPPT контроллером на 24 В, инвертором мощностью 1-2 кВт, и двумя аккумуляторами по 200 А*ч.
• Максимальный вариант. Для полного обеспечения жилища электроэнергией, в зимнее время придется ограничить использование мощных нагрузок, вроде микроволновой печи, утюга или бойлера. Для этой цели понадобится комплект мощностью 1,5-3 кВт*ч, с MPPT контроллером на 48 В и аккумулятором 400 А*чХ48 В. Вместо инвертора желательно наличие синусоидального ИБП на 5-10 кВт.

Приблизительная стоимость комплекта для дачи

В зависимости от дополнительных свойств комплектующих, цена готовой солнечной станции составит приблизительно 300-400 долларов за каждые 100 Вт номинальной мощности панелей.